cmos和ccd深度解讀

發布時間:2018/7/7 10:15:51 訪問次數:1678

cmos結構相對簡單，與現有的大規模集成電路生產工藝相同，從而生產成本可以降低。從原理上，cmos的信號是以點為單位的電荷信號，而ccd是以行為單位的電流信號，前者更為敏感，速度也更快，更為省電。現在高級的cmos并不比一般ccd差，但是cmos工藝還不是十分成熟，普通的 cmos 一般分辨率低而成像較差。

目前的情況是，許多低檔入門型的數碼相機使用廉價的低檔cmos芯片，成像質量比較差。普及型、高級型及專業型數碼相機使用不同檔次的ccd，個別專業型或準專業型數碼相機使用高級的cmos芯片。代表成像技術未來發展的x3芯片實際也是一種cmos芯片。ccd與cmos孰優孰劣不能一概而論，但一般而言，普及型的數碼相機中使用ccd芯片的成像質量要好一些。

由兩種感光器件的工作原理可以看出，ccd(電荷藕合器件圖像傳感器：charge coupled device)，它的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以導致制造成本居高不下，特別是大型ccd，價格非常高昂。在相同分辨率下，cmos(互補性氧化金屬半導體：complementary metal-oxide semiconductor)價格比ccd便宜，但是cmos器件產生的圖像質量相比ccd來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用ccd作為感應器;cmos感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產的攝像頭使用ccd感應器，廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳，甚至冠以“數碼相機”之名。一時間，是否具有ccd感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。http://shichengdz.51dzw.com

cmos針對ccd最主要的優勢就是非常省電，不像由二極管組成的ccd，cmos 電路幾乎沒有靜態電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得cmos的耗電量只有普通ccd的1/3左右，這有助于改善人們心目中數碼相機是"電老虎"的不良印象。cmos主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大，如果抑制得不好就十分容易出現雜點。

此外，cmos與ccd的圖像數據掃描方法有很大的差別。例如，如果分辨率為300萬像素，那么ccd傳感器可連續掃描300萬個電荷，掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，并且只有在最后一個數據掃描完成之后才能將信號放大。cmos傳感器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此，cmos傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大，采用這種方法可節省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。

1.內部結構(傳感器本身的結構)

ccd的成像點為x-y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區組成。光電二極管將光線(光量子)轉換為電荷(電子)，聚集的電子數量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行數據被移動到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續讀出，再通過電荷/電壓轉換器和放大器傳感。這種構造產生的圖像具有低噪音、高性能的特點。但是生產ccd需采用時鐘信號、偏壓技術，因此整個構造復雜，增大了耗電量，也增加了成本。

cmos傳感器周圍的電子器件，如數字邏輯電路、時鐘驅動器以及模/數轉換器等，可在同一加工程序中得以集成。cmos傳感器的構造如同一個存儲器，每個成像點包含一個光電二極管、一個電荷/電壓轉換單元、一個重新設置和選擇晶體管，以及一個放大器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器(計時應用和讀取信號)以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過簡單的x-y尋址技術讀取信號。http://www.jialinadianzi.com

2.外部結構(傳感器在產品上的應用結構)

ccd電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而cmos光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比ccd電荷耦合器快很多。

cmos光電傳感器的加工采用半導體廠家生產集成電路的流程，可以將數字相機的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換器、圖像信號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加dram的優點。只需要一個芯片就可以實現很多功能，因此采用cmos芯片的光電圖像轉換系統的整體成本很低。

ccd和cmos在制造上的主要區別是ccd是集成在半導體單晶材料上，而cmos是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質的區別。ccd只有少數幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術。而且ccd制造工藝較復雜，采用ccd的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經過技術改造，目前ccd和cmos的實際效果的差距已經減小了不少。而且cmos的制造成本和功耗都要低于ccd不少，所以很多攝像頭生產廠商采用的cmos感光元件。成像方面：在相同像素下ccd的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而cmos的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，cmos的成像質量和ccd還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。

1)信息讀取方式

ccd電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。cmos光電傳感器經光電轉換后直接產生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡單。http://shichengdz.51dzw.com

2)速度

3)電源及耗電量

ccd電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;cmos光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為ccd電荷耦合器的1/8到1/10，cmos光電傳感器在節能方面具有很大優勢。

4)成像質量

ccd電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用pn結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，成像質量相對cmos光電傳感器有一定優勢。由于cmos光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使cmos光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著cmos電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的cmos圖像傳感器提供了良好的條件。

cmos(compementarymetaloxidesemiconductor)指互補金屬氧化物半導體，是電壓控制的一種放大器件，是組成cmos數字集成電路的基本單元。在數字影像領域，cmos作為一種低成本的感光元件技術被發展出來，市面上常見的數碼產品，其感光元件主要就是ccd或者cmos，尤其是低端攝像頭產品，而通常高端攝像頭都是ccd感光元件。http://jialina.51dzw.com/

cmos制造工藝被應用于制作數碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運算的功能轉變成接收外界光線后轉化為電能，再造過芯片上的模一數轉換器(adc)將獲得的影像訊號轉變為數字信號輸出。cmos與ccd主要有以下不同：

(1)成像過程中產生的噪聲高

(2)集成性高

(3)讀出速度快，地址選通開關可隨機采樣，獲得更高的速度

(4)噪聲：由于cmos圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大。隨著cmos電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的cmos圖像傳感器提供了良好的條件。

ccd的英文全稱是“charge-coupleddevice”，中文全稱是電行耦合元件，通常稱為ccd圖像傳感器。ccd是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號，ccd上植入的微小光敏物質稱作像素(pixel)，一塊cco上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。ccd作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號，ccd上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電行轉給它相鄰的電容。

ccd圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，實現圖像的獲取.存儲、傳輸.處理和重現，cco圖像傳感器具有如下特點：

(1)體積小重量輕

(2)功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動，性能穩定，壽命長

(3)靈敏度高，噪聲低，動態范圍大

(4)響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像

(5)應用超大規模集成電路工藝技術生產，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產成本低。來源：電子產品世界